Его дебют в кино состоялся в 1988 в картине «The Tale of Sweety Barret», за этим последовала комедийная драма «Sunburn». Проблема самоубийств в Ирландии подтолкнула Мерфи принять роль в драме «На грани» (2000). За ней последовала «Как Гарри стал деревом» (2001). К тому времени, как был снят «28 дней спустя» Дэнни Бойла широкая публика уже знала этого актера, исключением являлись Соединенные Штаты. Положение изменилось в 2003 году, когда этот фильм вышел в широкий прокат, а Америка увидела в Киллиане потенциальную звезду. Дальнейшие фильмы: «Девушка с жемчужной сережкой», «Холодная гора» (2003), "Бэтмен начинает", "Ночной рейс", "Завтрак на Плутоне" (2005), "Ветер, который качает вереск" (2006).
Киллиан начал свою карьеру в театре. Самой заметной его работой на сцене стала пьеса "Свиньи Диско", которая впоследствии была экранизирована с его же участием. Дебют в кино состоялся в 1997 году в короткометражной ленте "Quando". В фильме "На Краю", в котором он изображал подростка, склонного к суициду, он делил съемочную площадку со Стивеном Ри. Далее последовала работа в телесериале BBC "We Live Now , The" (2001). За роль в "Свиньях Диско" (2001) Киллиан был выдвинут на награду в категории "лучший актер" Ирландской Академии кино и телевидения.
В фантастической драме "28 дней спустя" Киллиан сыграл главную роль, англичанина Джима, который очнулся из комы в Лондонской больнице и узнал, что пока он спал, по всему миру распространился опасный вирус, превращающий людей в зомби. Фильм получил прокат по всему миру, и привлек к Киллиану международное внимание. Он сыграл одну из ролей второго плана в картине "Девушке с жемчужной сережкой" в актерском ансамбле с Колином Фертом и Скарлетт Йоханссон, и успешно включился в актерский состав фантастического комикса "Бэтмен: начало".
Мерфи продолжает работать в театре, когда находит время. В 2002 году он появился в постановке "Shape of Things, The" Дублинского государственного театра, в августе 2003 года в Чеховской "Чайке" на Международном Фестивале Театра в Эдинбурге.